基于Zigbee的矿井网络部署

黄今慧 刘洋 薛子育

【摘要】随着高新技术的不断涌现，我国的工业化水平也将更加合理化和人性化。在此背景下，本文提出了一套基于Zigbee的矿井网络部署设计方案。该设计方案可以将矿井工作者以及各种设备进行互联，以实现人与设备、设备与设备之间的“沟通”，更加保障人员的安全，加强人与物的定位。由于Zigbee模块具有省电、体积小、成本低廉等的优势，基于Zigbee的矿井网络部署有很大研究价值本文重点研究在矿井中基于Zigbee组建无线网络部署情况，实现对矿工方位、生理参数和矿井环境的监测。让物联网保障我们的工作的安全性，同时也可以让人们很好地了解到物联网的作用和它为我们生活带来的便捷之处。

【关键词】Zigbee;网状网络;定位系统

The Network Deployment of Mine Based on Zigbee

College of Computer and Information Engineering，Beijing Technology and Business University  Jinhui Huang  Yang Liu  Ziyu Xue

Abstract：Our country's industrialization level will get more and more rational and flexible with the constantly emerging of the new and high technology.In this background，the thesis proposes a set of mine network deployment design scheme based on Zigbee.The design scheme could achieve that the equipment communicate with people or the equipment by making the interconnections of the mine workers and all kinds of equipment.The scheme could make workers get more safer and can pinpoint the people and things accurately.The mine network deployment based on Zigbee has great research value because the Zigbee module has some advantages such as power saving，small volume，low cost and so on.The thesis focuses on the condition of the wireless network deployment based on Zigbee in mine and the monitor of the miners pinpoint，physiological parameters and mine environment monitoring.The thesis could let people understand that the Internet of things can ensure the safety of work and its effect and the convenience for our life.

Keywords：Zigbee;mesh network;position system

1.研究背景

近年来伴随着煤炭价格的攀升，我国煤矿开采厂家也在加大开采力度，但是由于对安全认识不足和煤矿本身缺少检测网络，致使矿难频频发生并且救援工作困难。据有关数据统计，全国平均两三天就会发生一起矿难，平均每天有两名矿工死于矿难，造成了严重的人员和财产损失。本文将在矿井下组建一个基于Zigbee[1]的检测网络，将对矿工的方位，生理参数等信息进行实时统计，并实时监测矿井中的环境。一方面可以加大安全力度，降低矿难发生的概率[2]，另一方面Zigbee的准确定位也可以在矿难发生后帮助救援人员及时发现和拯救遇难矿工。

2.Zigbee介绍

2.1 Zigbee无线网络

Zigbee是一种短距离、低功耗的无线通信技术[3]。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。Zigbee具有如下技术优势[4]：（1）低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。对矿难发生后可连续工作时间远大于搜救时间。（2）低成本。通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，每块芯片的价格大约为2美元。（3）近距离。传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。整个矿场部署基站和Zigbee组件，距离符合要求。（4）短时延[5]。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。（5）高安全。Zigbee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES 128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。

2.2 传统方式对比

2.2.1 在人数确定上的准确性

生命探测仪[6]最严重的问题在于无法确定具体人数，只能探测生命的迹象存在。这一点不适用于矿难搜救。由于矿井工作的特殊性，遇难人员集中出现在某一处是很常见的。生命探测仪无法确定具体遇难人数，则无法确定相应的营救措施，遇难人数密度聚集比较集中的位置，应该加大营救力度。

相对于生命探测仪可以体察到生命体征，无法确定具体人数，Zigbee可以确切确定遇难具体人数以及具体位置，可以使救援工作更加合理化和便捷化，可根据遇难人数部署救援力度，可对救援工作带来极大便利。

2.2.2 在电源供给上的持久性

由于救援工作的严峻性，大多数矿难现场并没有电源进行接入，目前比较先进的由美国生产的ZT-2000i音视频生命探测仪，只能连续工作3小时，这一点在矿难救灾工作中是远远不够的。因此对电量的消耗也将成为考察救灾方法是否得当的主要原因。

生命探测仪在耗电量上远大于Zigbee，Zigbee元器件可以工作数月不断电，低消耗Zigbee甚至可以连续工作1年，工作效能远大于生命探测仪。这一点在救援工作当中是至关重要的。

3.Zigbee矿井网络部署

3.1 网络拓扑

Zigbee网络层支持星形、树形和网状网拓扑结构[7]。

本文设计的系统选用网状结构[8]，因为它允许通信链路存在常用路由和备选路由，避免了由于个别结点故障而阻断了其下级子网通信出口的问题，保持了网络的健壮性。

网状结构的优点在于Zigbee路由信息由各全功能设备结点分别存储和维护，减小了网络协调器的路由管理压力，网状结构如图1所示。

图1 网络结构图

3.2 架构设计

图2为监测网络系统[9]示意图，在这个监测网络中，有两种智能传感器。其中安在道旁的是采集器，主要就是实时采集周围环境中的温度、湿度以及瓦斯的浓度，服务器进行接收和计算，发生预警后及时召回工人。矿工随身携带的传感器主要收集矿工的地理位置和脉搏信号，对矿工身体状况进行实时监察，若身体发生预警则立刻召回矿工。

图2 监测网络系统示意图

图3 随身设备原理样机

4.现阶段研究成果

本文将对关键技术进行深入研究。

4.1 随身设备

采用TI公司的CC2430的ZigBee芯片[10]，每个挂件设备内，有一组唯一的标识码表示自己的身份信息，工作人员进入矿井之前必须佩带如图3随身设备，随身设备包含Zigbee组件，SOS警报器以及照明设备[11]。

4.2 定位基站

定位基站采用TI公司的CC2430的ZigBee芯片，将在矿井周围架立定位基站。定位基站有良好的天线子系统和供电子系统，工作在高灵敏度状态，以便采集随身设备发来的相对较弱的无线信号。

基站设备负责将收集到的随身设备发出的设备ID和RSSI值连同自身的ID信息送往后台服务器。如图4是高架式基站示意图，采用高架式的主要目的是增大接收信号范围。

图4 高架式定位基站及基站放大示意图

图5 整体搭建效果图

4.3 随身设备与基站的协同工作

4.3.1 正常状况下的协同工作

随身设备实时发送矿工位置信息给设备基站，搭建效果如图5所示，设备基站服务器统计记录矿工位置[12]，并根据探测仪更新矿工身处环境，遇到不安全因素，可以将矿工召回。后台服务器可以观测到矿内信息，实时收集矿内瓦斯密度和湿度温度信息，若遇到瓦斯泄露等情况，可及时召回矿工。

图5搭建的是完整的效果图，通过基站收集矿工随身携带发射器的信号和矿内检测器的信号[13]，遇到不安全因素，后台服务器及时联系相关救援部门。在此网络下，将构成检测，召回，救援等一系列网络，确保矿场安全。

4.3.2 救援态下的协同工作

若遇到煤矿坍塌，随身设备将继续发送遇难人员位置信息给后台服务器，后台服务器将根据具体位置实施营救工作。

服务器可以根据基站发来的位置信息收集到遇难者位置和在某位置上遇难者数量，为救援争取最合理的人力，调度最适宜的设备。矿内的探测器也可以继续收集矿内瓦斯密度以及矿内情况，了解遇难者周围信息，可以提供更合理的救援方式。

遇难者还可以按动自己随身携带的Zigbee组件中的SOS键以及灯光辅助营救[14]。

5.总结

本文提出了一套基于Zigbee的矿井网络部署。从矿工携带随身设备进入矿井，Zigbee元器件进入工作状态，实时发送遇难者位置和遇难者当前状态，矿井内部设置传感器，监视矿工工作状态和情况，并对环境信息进行传递，遇到瓦斯泄露等问题，可以直接将矿工进行召回，确保安全。到一旦发生矿难，服务器根据基站发来的信息统计遇难者具体位置和某位置遇难者数量，以及发送报告给相关救援部门及时实施营救。本文阐述了从预防、检测，到矿难救援的整体网络覆盖方式。

负责人员还可以在服务器端接收矿工身体情况报告，根据员工情况进行调整，并根据传感信息进行统计，查看矿井内情况。更体现了我国工业化途中的人性化以及合理化。

此方案可行、有一定发展方向，在矿井管理和确保矿工安全上都有一定的作用。对物联网应用于人类生活以及确保人身安全等方面起到了一定的推动作用。

参考文献

[1]李小珉，赵志宏，郭志，谭浩.Zigbee无线传感器网络的研究与实验[J].电子测量技术，2007（06）.

[2] Ram G.Lakshmi Narayanan，Oliver C.Ibe.A joint network for disaster recovery and search and rescue operations[J].Computer Networks.2012（14）.

[3]李峥，苗曙光.ZigBee无线传感器网络在矿井巷道监测系统中的应用[J].仪表技术与传感器，2010（08）.

[4]闵玉峰.Zigbee技术在物联网中的应用[J].科技传播，2012（14）.

[5]齐立磊，王超.基于Zigbee的矿井无线传感器网络监测系统设计[J].煤矿机械，2013（09）：252-254.

[6]孙继平.煤矿安全生产监控与通信技术[J].煤炭学报，2010（11）.

[7]刘志高，李春文，丁青青，孔繁瑞，武丹琛.煤矿人员定位系统拓扑优化模型[J].煤炭学报，2010（2）：329-332.

[8]Jian Tang，Guoliang Xue，Weiyi Zhang.Cross-layer optimization for end-to-end rate allocation in multi-radio wireless mesh networks[J].Wireless Networks.2009（1）.

[9]韩忠，王璐，周中阔.基于Zigbee的矿井综采面无线传感器网络监测系统设计[J].煤矿机械，2012（01）.

[10]孙德辉，龚关飞，杨扬.基于CC2430的无线传感器网络系统设计[J].现代电子技术，2010（13）.

[11]王福豹，史龙，任丰原.无线传感器网络中的自身定位系统和算法[J].软件学报，2005（05）.

[12]张治斌，徐小玲，阎连龙.基于Zigbee井下无线传感器网络的定位方法[J].煤炭学报，2009（01）.

[13]汪玉凤，段丽华.井下人员定位系统精确定位[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2008（05）.

[14]詹泽海，刘遥生，陈革维，林玲.基于单片机与ZigBee的物联网网络设计与实现[J].物联网技术，2012（07）.